Honing and Laping machines

MCMT subject-Mechanical engineering

1. Chapter 7 
Honing and Lapping Machines 
7.1   Introduction 
To increase the dependability and service life of machinery, the permissible surface 
roughness of various machined parts are required. Surface finish has a great impact 
on the properties of machined parts like wear resistance, fatigue strength and corrosion 
resistance. If the finish is not good then due to excessive wear of rubbing surfaces, 
the oil film on the peaks of micro irregularities will be rupture and it leads today 
friction. 
Just like peaks, the valleys of micro irregularities also act as stress raisers and 
lead  to  fracture  of  parts.  So  micro  finishing  process  are  used  for  machining  the 
surface of critical parts to get better surface finish and high accuracy. These processes 
include honing,, lapping polishing, buffing and super finishing. Table 7.1 gives the 
surface finish attainable in grinding and other micro finishing processes.  
Table: 7.1 Range of height irregularity in different processes.  
 
Process  Height of irregularities (Micron) 
Precise turning  1.25 to 12.5 
Grinding  0.9 to 1 
Honing  0.7 to 1.25 
Lapping  0.08 to 0.25 
Super finishing  0.01 to 0.25 
The micro finishing process has less surface speed, the contact pressure is very 
Ismail and the contact area is very large, as compared to grinding process. Various 
micro finishing processes are described below in detail.  
7.2   Honing 
Honing is a grinding or abrading process used mainly for finishing round holes by 
means of bonded abrasive stones called hones. Honing is primarily used to correct 
lout of roundness, taper, tool marks and axial distortion. Various hole geometries  

2. 7.2     
that can be corrected by honing are shown in Fig. 7.1. Honing stones are made from 
common abrasive and bonding materials. Often impregnated with sulphur, resin or 
wax to improve cutting action and lengthen tool life. The various abrasives used to 
make honing stones are silicon carbide, aluminium oxide, diamond or cubic boron 
nitride. Silicon carbide is used for honing cast-iron and nonferrous materials, whereas 
aluminium oxide is used to hone steel parts. Diamond is also used as an abrasive to 
hone parts made of ceramics or hard carbides. The abrasive grain size ranges from 
80 to 600 grit. Almost every material can be efficiently honed. Steels of all varieties 
cast iron, aluminium, magnesium, brass, bronze, glass, ceramics, hard rubber, graphite 
and silver are a few examples. Mostly honing is done on internal cylindrical surfaces 
such as automobile cylinder walls. 
ts^ 
RAIN BOW  WAVINESS  BARREL 
  
 
TAPER  BELL MOUTH  MiS ALIGNMENT  
 
BORING TOOL MARK  OUT OF ROUND  REAMER CHATTER  
Fig.7.1. Hole geometry that can be corrected by honing  
When honing is done manually: The honing tool is rotated and work piece is 
passed back and forth over the tool. Length of motion is such that the stones extend 
beyond the work piece surface at the end of each stroke. For precision honing, the 
work is usually held in a fixture and the tool is given a slow reciprocating motion as 
it  rotates  (Fig.7.2).  The  stones  are  thus  given  a  complex  motion  as  rotation  is 
combined with oscillatory axial motion. These two motions combine to give a resulting 
Crosshatch lay pattern. Honing stones may be held in the honing head by cementing 
them in to metal shells, which are clamped into holder or they are cemented directly 
in to holders. During honing operation, the honing head is not guided externally but 
floats in the hole being guided by the work surface, coolants are essential to the  
   
 
 
 
 
 

3. Honing and Lapping Machines   7.3 
operation of this process, to flush away small chips and to keep temperatures 
uniform. Sulphurized mineral oil or lard oil is generally used for this purpose.  
 
Fig.7.2. Honing    . 
Honing differs from grinding due to the reason that honing requires the use of low 
speed and low pressure, which keep the surface temperature relatively low, whereas 
grinding  machines  are  run  at  high  speed  and  high  wheel  pressure.  Also  abrasive 
stones used in the honing machine have a relatively large area of abrasive in contact 
with the job. As surface temperature is low, surface damage is kept to a minimum. 
The feature of honing,, which allows it to surface being honed. Either the tool or the 
fixture holding the work part floats. Due to this, the honing tool exerts equal pressure 
on all sides of bore. With honing process, it is possible to handle work parts having 
internal  diameters  from  1.5mm  to  15mm.  In  honing,  dimensional  accuracy  up  to 
0.00025cm is common. Surface finish up to 0.1mm can be expected.  
7.3   Honing Tools 
Various types of honing tools are used depending on the type of surface to be honed. 
Basically a honing tool used for honing an internal surface is made up of four elements 
body. Cone, cone rod and drive shaft. The various elements of honing tool are shown 
in Fig. 7.3. The body gives support to the honing, sticks and establishes their relation 
with the work surface and with each other. The cone is in the form of a cone shaped 
wedge. As the cone is moved axially, the honing sticks move out radially. The cone 
rod  connects  the  cone  to  the  tool-expansion  mechanism,  which  can  be  actuated 
mechanically, hydraulically or manually. The drive shaft is used to connect the body 
to the machine spindle. 
 
Honing tool 
movement 

4. Fig.7.3. Details of a honing tool 
7.4   Types of Honing Machines 
Honing can be done on general-purpose machine such as lathe, the drill press, etc., 
but more economical results can be obtained by using honing machines for production 
work. The most common out of these are as follows: 
7.4.1   Horizontal Honing Machines 
These machines are mostly used for honing comparatively longer jobs, such as gun 
barrells  and  long  tubular  parts.  All  such  machines carry  a  horizontal  spindle,  on 
which honing tool in mounted. In some machines, the work piece is mounted on a 
table,  which  can  move  the  work  to  and  fro  hydraulically.  The  hone  reciprocates 
about its own axis and also simultaneously rotates. The motion of the honing tool 
may  be  controlled  by  an  electric  motor  through  the speed  gearbox,  whereas  for 
reciprocation  electro-mechanical,  rope  or  hydraulic  drive  is  employed.  In  some 
machines, the work is held in a horizontal position and rotated about its own axis. 
No reciprocating motion is given to it. Against this the honing tool, which is mounted 
on a travelling head, is rotated and reciprocated to give in the same results as above.  
^3.4.2   Vertical Honing Machines 
These machines hold the work as well as the tool in vertical positions. Usually the 
spindle  head  and  hence  the  tool  reciprocates  and  not  the  work  piece.  A vertical 
honing machine is shown in Fig. 7.4. The rotation of the spindle and hence the tool  
 
7.4   

5. Honing and Lapping Machines   7.5 
is accomplished by means of a hydraulic drive in vertical honing machine. Conditions 
for cooling the honing tool and carrying away the chips are more favourable in this 
machine, as the coolant is more uniformly distributed over the work surface. These 
machines are best suited for small jobs. 
In the latest honing machines, in process gauging equipment is in corporated to 
gage the bore diameter automatically, throughout the honing cycle. When the desired 
diameter is obtained, a signal is generated which stops the expansion of the honing 
tool. After this, the pressure on the honing sticks gets reduced gradually and the tool 
is withdrawn from the bore. For controlling the bore size, two types of devices are 
used, depending on whether the tool or bore is gaged. In tool gagging, a tool having 
a gauging ring is used. The honing sticks of the tool have plastic tabs molded on each 
end as shown in Fig. 7.5 (a). These tabs wear down along with abrasives, therefore 
their outer diameter always remains equal to bore diameter.  
 
Fig.7.4. Vertical Spindle honing Machine 
The gauge ring is positioned above the work piece, so that the upper taps enter the 
gauge ring at the top of each stroke. The inner diameter of ring is equal to the lower 
limit of the desired bore size. When the bore and the taps acquire the same size as 
that of gauge ring, the friction between the ring and the taps causes the gauge ring to 
turn, which subsequently generates a signal to stop the cycle.  
In bore gauging (Fig. 7.5 (b)) a floating sleeve is mounted around the honing tool 
whose outer diameter is equal to the required bore size. At the bottom of each stroke,  

6. 7.6  
the sleeve tries to entre the bore. Finally when it enters the bore a single is generated 
that ends the honing cycle. 
a) By gauging the tool 
b) By gauging the bore. 
Fig.7.5. Two methods for automatic size control of work  
7.5  Advantages of Honing 
1) The  honing  process  enables  highly  accurate  holes,  as  the  possibility  of 
vibration is very less. 
2) Many holes can be honed simultaneously on multiple spindle machines. 
3) Hole of any dimension can be honed. 
4) As compared to other hole finishing methods, high productivity at low cost 
is obtained. 
7.6  Disadvantages 
1) It is impossible to improve lack of straightness in holes. 
2) It is difficult to hone tough nonferrous~metals due to glazing or clogging of 
the pores of the abrasive sticks. Various defects that can occur during honing 
process and the possible causes of these defects are given in table. 
Table: 7.2 Trouble Shooting Chart for Honing. 
 
Defects  Possible causes 
1) Ovality in bore  a)  Too     much     ovality     from     previous 
operation. 
b)  Too much hone pressure 
c)  Hard stone 
d)  Inadequate coolant. 
2) Taper-large at ends a)   Longer stroke length 
3) Taper-small at ends a)   Smaller stroke length 
 
 

7. Honing and Lapping Machines   7.7 
 
4) Slow stock removal a)  Hard stone 
b)  Dense structure 
c)  Less hone pressure 
d)  High rotary speed. 
e)  Less reciprocating speed 
5) Poor stone life  a)  Rough grain size 
b)  Soft stone 
c)  Open structure 
d)  High hone pressure 
e)  High reciprocating speed 
f)  Less rotary speed 
6) Too smooth surface 
finish 
a)  Fine grain size 
b)  Hard stone 
c)  Close structure 
d)  Less hone pressure 
e)  Less reciprocating speed 
f)  High rotary speed. 
7)  Too rough surface 
finish 
a)  Coarse grains 
b)  Soft stone 
c)  Open structure 
d)  High hone pressure 
e)  Low rotary speed 
8)  Loading of abrasive 
or glazing of abrasive 
9)  Stone breakages 
a)  Fine grains 
b)  Hard stone 
c)  Open structure 
d)  Low hone pressure 
e)  Low reciprocating speed 
f)  High rotary speed 
a)  Too high hone pressure 
b)  Hone expansion too early 
c)  Hone hitting at the bottom 
d)  Hone stroke too long. 
7.7   Lapping 
Lapping is basically an abrasive process in which loose abrasives function as cutting 
points finding momentary support of the lap. 
The process has the following features. 
a) Use of loose abrasives between the lap and the work 
b) The lap and work piece are not positively driven, but are guided in contact 
with each other. 
c) Relative motion between the lap and work surface should be constantly chang-
ing. The most effective path is of cycloidal nature. 
d) Vehicle  of  lapping  is  the  lubricating  liquid  in  which  abrasive  elements  are 
suspended. Machine oil, soluble oil grease, etc., are used as lapping vehicle. 
Fig.7.6 shows the principle of lapping process. 

8.  
Fig.7.6. Principle of lapping 
7.8   Lap Material 
Cast iron is the best lap material, but brass, bronze, lead, soft steel is also used. In 
any event, lap should be softer than the work piece, so that the abrasive gets embedded 
in the lap. 
7.9  Abrasives Used in Lapping 
Silicon carbide is used for rapid stock removal and aluminium oxide for improved 
surface finish. Speeds between 1.50 m/sec and 4 m/sec are used.  
7.10  Lapping Speed 
The speed of the lap relative to work piece surface is chosen taking into account loss 
of work material and surface roughness. The lapping speeds are shown in table.  
Table: 7.3 Lapping speed for Various Jobs 
 
  Roughness value 
(Ra in microns) 
Lapping speed 
(metre/min) 
For medium accuracy For 
accurate jobs For very 
accurate jobs 
<10 10   
<Ra < 12 10   
<Ra < 14 
200-400 
100-250 
10-100 
Lapping is a precision finishing process done on precision tools, gauges valves 
and on other similar places where resistance to wear of moving parts, better sealing 
characteristics and longer life of cutting edges are prominent factors. A very thin 
layer of metal from 0.005 to 0.01 mm is usually removed by lapping.  
As  lapping  is  not  primarily  meant  for  removing  metal  so  it  should  be  kept  in 
mind that the material left on the work surface is minimum. Keeping in view the 
above  discussions,  the  recommended  range  of  lapping  allowance  to  be  left  is  as 
follows: 
Allowance on surface 0.0075 to 0.0125mm 
Allowance on diameter or thickness 0.015 to 0.05mm. 
7.8  s 

9. Honing and Lapping Machines   7.9 
7.11  Lapping Methods and Machines 
Lapping is done in the following two ways: 
1) Hand lapping 
2) Machine lapping 
7.12  hand Lapping 
Lapping can be done by hand held tools for both flat work and external cylindrical 
work explained as follows: 
7.12.1 Flat Work Hand Lapping 
In hand lapping as shown in Fig. 7.7 either the lap or the work piece is held by 
hand and motion of the other enables the rubbing of the two surfaces in contact. This 
method is used for lapping presswork dies, dies and metal moulds for castings, etc 
sometimes a lapping compound is placed between the two surfaces and then they are 
moved  against  each  other.  A  few  examples  of  this  method  are  lapping  of  surface 
plate, engine valve seat, lapping of laboratory specimen prepared for examination of the 
microstructure. 
Fig.7.7. Methods 
of hand lapping 7.12.2 External Cylindrical Hand Lapping (Ring 
Lapping) 
 
Ring lapping is done for finishing external cylindrical surfaces. Ring laps are made 
of soft close-grain cast iron. The ring lap has several cuts partially through and a  
   

10. 7.10    
completeslit as shown in Fig. 7.8. Screws are provided for precise adjustment. The 
size of the ring lap should be slightly shorter than the work piece. The ring lap is 
reciprocated over the work piece surface. The abrasive and vehicle are fed through 
the slot to maintain a straight round hole in the lap.  
This type of lapping is recommended for stepped plug gauges or gauges made in 
small quantities. 
7.13 Machine lapping 
This is performed for obtaining highly finished surface on many articles like races 
of ball and roller bearings, worm and worm gear, crankshafts, camshafts and various 
automobile engine parts like injector pump parts, spray nozzle, etc. various types of 
machine lapping processes are explained below: 
7.13.1 External Cylindrical Lapping Machine 
It is a vertical spindle machine carrying one upper stationary lap and one rotating 
lower lap. The upper lap is free to float and rest on the work, which rides on the 
table of lower lap. Pressure is applied by gravity. The work is held loosely in the 
work guide so it follows a random path between the lap faces. An external cylindrical 
lapping machine is shown in Fig. 7.9. 
 
Fig.7.9. Lapping machine for cylindrical work 
7.13.2 Flat Lapping Machine 
The  work  holder  propels the  work  in this  case. The rotating  driving  spindle  may 
give a friction drive to the work holder, or a positive drive may be given through 
gear teeth on the periphery of spindle and work holder. The driving spindle rotates 
at  a  different  speed  than  the  lower  lap  and  the  motion  given  to  the  work  holder 
causes the work to cover the entire lap surface. 

11. Honing and Lapping Machines   7.11 
7.13.3 Centreless Roll Lapping Machine 
The  machine  consists  of  two  cast  iron  rollers-lapping  roller  and  regulating  roller. 
Lapping roller is twice in diameter as compared to that of regulating roller and both 
revolve  in  the  same  direction  and  at  the  same  speed.  The  abrasive  compound  is 
applied to the rollers and the work piece is laid between the two rollers as shown in 
Fig. 7.10. Lapping roller creates a rapid lapping action due to its increased surface 
speed. The wok piece is moved evenly over the entire surface of the roller by a fibre 
stick, which is uniformly reciprocated. 
 
Fig.7.10. Roller type machine for Centreless cylindrical lapping  
This machine is used for lapping one piece at a time and is designed for lapping 
plug gauges, measuring wires and cylindrical objects.  
7.13.4 Centreless lapping Machine 
This machine is similar to Centreless grinding machine except that extra-long grinding 
wheel and regulating wheels are used to allow the work piece to remain in abrading 
contact for a longer time. The lapping wheel speed falls in the range of 175-650m/min, 
whereas regulating wheel has a speed of 70-175m/min.  
 
Fig.3.11. Set up for Centreless lapping 

12. 7.12   
Fig. 7.11 shows a Centreless lapping machine. The spindles of lapping wheel and 
regulating wheel are swivelled in the vertical plane and are not parallel. Due to this 
the work piece comes in contact with the wheel at an angle to its  
Axis, which leads to wraparound effect on the work piece. This leads to elimination 
of  lapping  marks.  This  machine  is  a  high  production  machine  and  is  used  to  lap 
piston pins, shafts and bearing races. 
7.13.5 Spherical Lapping 
Spherical  surfaces  are  lapped  on  a  ma-
chine similar to a drill press. A cast iron 
lap is used which is the counterpart of the 
work  surface  to  be  lapped.  A  crank  is 
held  in  the  spindle  and  crankpin  is 
provided with a ball that enters freely into 
a  blind  hole  in  the  back  of  the  lap  as 
depicted in Fig.7.12. 
The  work  piece  axis  is  aligned  with 
spindle  axis  and  the  spindle  is  then  ro-
tated which gyrates the lap. 
Fig.7.12. Spherical lapping 
There are two more processes, which are connected with lapping. These 
processes are polishing and buffing. Both of them will now be discussed in detail.  
7.14 Comparison of Grinding, Honing and Super-Finishing  
 
s. 
No 
Aspects  Grinding  Honing  Super-finishing 
1 Speed of abrasive tool Very high 2000 to 
5000 mpm. 
15 to 30 mpm  10 to 40 mpm 
2 Abrasive grit size 40 to 500 mesh  120 to 600 mesh 400to 1000 mesh 
3 Stock removal  0.1 to 0.5 mm on  0.025 to 0.1 mm  0.005    to    0.025 
   dia or more  on dia  mm on dia 
  Surface  0.1 to 1.6 micron  0.1 to 0.8 micron 0.025     to     0.20 
4 roughness (Ra)      micron 
  Tolerance    (plus 0.0002    to    0.06 0.0025    mm    or Does   not   affect 
5 or minus)  mm  less  geometrical 
tolerances. 
  Thermal effect on Some  change in  Heat  generation  
6 the work surface  structure      takes very   small  and No thermal effect 
   place because of  thermal changes  on the structure. 
   heating of ground not appreciable.  
   surface   followed by 
quenching. 
   
 

13. Honing and Lapping Machines   7.13 
7.15 How Micro-Finishing Processes Differ From Grinding  
The micro finishing processes differ from the grinding process as explained:  
 
s. 
No 
Grinding Process  Micro Finishing Processes 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
High surface speed of about 
2000 m/min. 
Contact     pressure     between 
grinding    wheel    and    work 
piece is usually very large. 
Contact area is very small. At the     
maximum,     only    line contact 
is there 
Less accuracy due to possible 
work deflection and distortion 
Less surface finish 
Due    to    high    temperature 
produced,   burnt   out   layers 
will    be    present    near    the 
surface produced 
Running in period is required 
for ground surface before full 
load can be applied 
Grinding       processes       are 
generally less costly 
Less  surface  speed  of about  100 
m/min. 
Contact   pressure   is   usually  very 
small, about 1 kg/cm
2
. 
Contact area is very large. In some 
cases,   the   entire   surface   of  the 
abrasive comes in contact with the 
work piece. 
High  accuracy  is  obtained  as no 
deflection and distortion of work 
piece occurs. 
Higher surface finish 
Less    temperature    is    produced. 
Hence no burnt out layers are left as 
in grinding 
No running in period is required 
Micro-Finishing processes are very 
costly. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

14. Chapter 7 
Broaching Machines 
7.16  Introduction 
Broaching is an operation in which a special tool called broach is forced across or 
through the work piece by either pushing or pulling forming a shaped surface. The 
broach has a series of teeth, which increase in size progressively form one end to the 
other. In doing so, each tooth of the tool takes a small cut through the work piece to 
be broached. 
Broaching is an extremely rapid and accurate metal cutting process, which combines 
both roughing and finishing in one operation. However, no individual broach tooth 
performs  both  functions.  Each  successive  tooth  removes  only  a  predetermined 
amount of stock and remains in cutting contact only for a short time. The cutting 
operation in broaching is performed by a single push or pull motion of the broaching 
tool and not by a back or forth motion. Most of the broaching operations are carried 
out by pull method. The broaches used in pull broaching are considerably longer 
than those  used in  push  broaching.  A  push  broach  is  forced  through  the  material 
whereas a. pull broach is drawn through the material.  
Broaching is classified into two broad categories 
Internal  broaching  and  surface  broaching.  Internal broaching  means  generating  a 
hole of any desired shape in the work piece already having a round hole.  
For example 
Making key way splines and square holes. Holes of any shape can be broached as 
shown in Fig. 7.16.1. In surface broaching, external surfaces on the work pieces are 
generated.  Surface  broaching  machines  not  only  produce  flat  surfaces  but  many 
other  ruled  surfaces  including  those  of  complex  contours.  Examples  include  the 
external  surfaces  of  main  bearings  of  engine  cylinder  blocks,  main  bearing  caps, 
connecting rods, etc. 

15. Fig. 7.16.1. Shapes of Various holes that can be broached  
7.16.2   Principal parts of Broach 
Different types of broaches are used depending upon specific requirements. 
Fig.7.16.2 shows the main parts of an internal broach, which are described below in 
brief. 
 
Fig.7.16.2. Elements of internal broach 
The  full  end  serves  to  engage  the  broach  with  the  broaching  machine  through  a 
puller head. The pull end is of various forms. The diameter of the pull end must be 
less than that of already existing hole in the work piece by at least 0.5 or 1mm. The 
commonly  used  pull  end  is  key  type  pull  end.  The  slot  on  the  broach  has  a 
corresponding slot in the puller head and both are engaged by putting a key through 
the slot. 
The neck is required so that the broach when inserted into the work piece can be 
easily joined to the puller head with the latter in the position nearest to the faceplate 
or platen of the broaching machine. The front taper helps the work piece to be more 
easily put on the front pilot of the broach. Its length ranges from 5 to 20mm.  
The front pilot aligns the broach with the work piece and guides the broach at 
the beginning of the cut; the shape of front pilot must conform with the previously  
 
7.16.2     

16. Broaching Machines   7.16,3 
machined hole in the work piece. Its length is taken equal to the length of the hole to 
be  broached  and  its  diameter  should  be  equal  to  be minimum  diameter  of  the 
previously machined hole. The cutting teeth remove the metal from the work piece. 
The broach has a series of successive teeth of increasing diameter. The diameter of 
first cutting tooth is taken equal to that of the front pilot and the diameter of each 
consecutive tooth is increased, so that each successive tooth removes a small amount 
of material. The cut per tooth various from 0.07.165mm to 0.15mm. The first series 
of cutting teeth are roughing teeth. These teeth are stepped for heavy cut and usually 
have  chip  breakers.  The  next  series  of  teeth  that  follow  roughing  teeth  are  semi-
finishing  teeth.  These  teeth  have  much  smaller  step  per  tooth  and  are  meant  for 
progressively lighter cuts. The finishing teeth form the last group of teeth. They are 
four  to  eight  teeth  in  number,  having  the  same  diameters.  The  diameter  of  finish 
teeth on a new broach is equal to that of last semi-finishing tooth. Finishing teeth are 
reserved  for  teeth  also  replace  the  last  semi-finishing  teeth  when  they  have  been 
ground undersize by repeated sharpening. The rear pilot is the portion of the broach 
immediately following the finishing teeth. It helps in guiding the broach as it passes 
out of the work piece, to maintain alignment and to avoid any damage to the broached 
surface by the last finishing teeth of the broach. 
Broach length is the total overall length of broach. This length must be less than 
the maximum stroke length of the broach. The broach length is limited by the rigidity 
of the broach. 
The elements of the cutting teeth on a broach are shown in fig. 7.16.3 and are 
explained as below. 
7.16.2.1   Pitch (t) 
Pitch (t) is the linear distance between successive cutting edges of the broach. Pitch 
is a very important design factor, as it determines the strength of the tooth and chip 
space. An empirical formula that may be used to find the pitch is  
Pitch = 0.35 ^/length of cut (in inch) 
7.16.2.2   Tooth Depth (h) 
Tooth depth (h) is the distance from the cutting edge to the bottom of the gash.  
The pitch and tooth depth are related as t = (2.5 to 2.8) h.  
HOOK OR FACE ANGLE    M 
 
Fig.7.16.3. Elements of cutting tooth on a broach 

17. 7.16.4     
7.16.2.3  Tooth Thickness (G) 
It  if  the  distance across  the  tooth from  the  cutting  edge  to  the  start of  next  tooth 
racLas tangent. Tooth thickness determines the number of regrinds possible before 
the broach cuts undersize. 
7.16.2.4  Back-off Angle (d) 
On the cutting teeth of a broach, the entire tooth thickness is relieved by a clearance 
angle. The value of clearance angle depends on the material being cut. Large back-off 
angles lead to more rapid loss of broach size on its diameter in resharpening, causing 
the broach to be undersize. Therefore clearance angle (a) is made as small as possible. 
Clearance of 2 to 3° on the roughing teeth, 1° on the semi finishing teeth and 0.5° on 
the finishing teeth will give good results when broaching steel.  
7.16.2.5  Face Angle or Hook Angle (r) 
Face angle or hook angle of the tooth depends on the material to be cut and its 
hardness,  toughness  and  ductility.  In  steel  cutting,  the  face  angle  decreases  with 
increased hardness. 
Soft steel  15 to 20°  
Hard steel  8 to 7.16°  
Brittle materials call for small face angles. 
Cast iron  6 to 8°  
Brittle brass       -5 to 5° 
7.16.3 Broaching Machines 
On  a  small scale, broaching  can  be  done  with the  use  of a  hand  or  hydraulically 
operated arbor press. These presses are simple and inexpensive and are used for a 
variety of internal broaching operations like keyway cutting, etc. a set of broaches is 
used on these arbor presses. 
Generally, broaching machines are classified as horizontal or vertical.  
7.16.4 Vertical Machines 
In vertical broaching machines. The travel of the broach is vertical. The vertical 
machines can be furth , classified as: vertical pull down machine, vertical pull up 
machine, and vertical surface broaching machine. Salient features of these machines 
are discussed below in brief. 
7.16.4.1   Vertical Pull Down Machine 
This machine is recommended for high function internal broaching operations.  In 
this machine the broaching operation is performed on the top of the worktable. The 
top end of the broach is held by an upper carriage. The operation consists of passing 
the front pilot of the broach through the hole to be broached. This is followed by  

18. Broach ing Machines   7.16.5 
automatic attachment of the lower end of the broach to a pulling mechanism in the 
base of the machine and disengagement at the top. The broach is then pulled through 
the hole to complete the broaching operation. At the end of the cutting stroke, the 
part is removed and the broach is moved up to engage with the upper carriage.  
For higher production, it is desired to have some arrangement for rapid loading 
and unloading of the machine when one or more tools are used. This vertical machine 
can be easily adapted to the use of a shuttle table for rapid loading and unloading. 
Rill down broaching simplifies, the problem of chip disposal, as the chips fall off 
easily due to the gravity. Also in pull down broaching, the supply of cutting fluid at 
the cutting resign is easier. 
7.16.4.2   Vertical Surface Broaching Machine 
In this machine (Fig. 7.16.4), the broaching is accomplished by downward stroke of 
a ram that carries the broach downward for the cut and then returns to top position.  
 
Fig.7.16.4. Vertical broaching machine 
The work piece is held in a fixture, which is fastened to a horizontal sliding table. 
The table recedes from the cutting position on completion of stroke and while the 
ram is moving upward to its starting position, the operator may remove the | work 
piece and reload the fixture, with another work piece. The table returns to position 
in time for the next cutting stroke of the ram. 
A double ram machine has two ram-and-fixture sets, side by side. One ram de-
scends with its fixture in cutting position. At the same time, the other returns while 
its fixture is unloaded. Thus making a. continuous operation.  
7.16.4.3   Vertical Pull up Machines 
In pull up type machine, the work piece is placed below the worktable. The pull 
mechanism is above the worktable and the broach handing carriage is below is the  

19. 7.16.6    
workpiece is placed over the front pilot of the broach. The broach is raised until it 
engages the puller head. As the broach is raised, the work piece comes to rest against 
the under side of the worktable. The broach is then pull through the work piece to 
complete the operation. The work piece then falls free and is deflected in to a container. 
Pull  up  broaching  is  advantageous  when  no  work  holding  fixture  is  used,  as  the 
broached parts fall off by gravity and can be collected through a chute, thus simplifying 
unloading. 
Most of the broaching machines used in industry are of vertical type, with their 
chief advantage of economy of floor space. 
7.16.5   Horizontal Machines 
In  horizontal  broaching  machines,  the  broach  moves along  a  horizontal  straight 
path. These machines can be further classified as: pull broaching machine; surface 
broaching machine, continuous broaching machine and rotary broaching machine. 
The working of these machines is explained as follows:  
7.16.5.1   Horizontal Pull Broaching Machine 
In this machine, the broach is pulled through the work piece by a draw head, which 
is actuated hydraulically as shown in Fig. 7.16.5. These machines are mostly used 
for  internal  broaching  operation.  This  type  of  machine  is  preferred  when  stroke 
required  is  large  and  ceiling  height  is  limited.  The  lifting  of  heavy  broaches  is 
avoided, but this machine occupies much more floor space than a vertical machine.  
 
Fig.7.16.5. Horizontal broaching machine 
7.16.5.2   Horizontal Surface Broaching Machine 
Horizontal surface broaching machines are available with stroke up to 9 meter and 
capacities up to 100 tons. In these machines, the broach is mounted on a ram driven 
slide and is pulled over the work piece surface to be broached. The work piece is 
held in a fixture. 

20. Broaching Machines   7.16.7 
7.16.5.3   Continuous Broaching Machine 
These machines are used for surface broaching of parts that need repetitive cutting, 
such  as  gear  teeth.  A continuous  broaching  machine of  chain  type  is  shown  in 
Fig.7.16.6. 
 
Fig.7.16.6. Continuous horizontal chain type broaching machine  
The machine has a continuous chain traveling in a horizontal plane over sprockets. 
Fixtures  for  locating  and  clamping  work  pieces  are mounted  at  intervals  on  the 
chain. The broach is fixed horizontally above the chain under the bracket, as shown 
in Fig. 
The  work  pieces  are  loaded  in  to  the  fixtures  by  clamping  them  manually  or 
automatically. These work pieces pass under the broach as the chain rotates. After 
the work pieces are broached. They are automatically undamped and ejected to drop 
into the hopper of the machine. 
7.16.5.4   Rotary Broaching Machine 
In  this  machine,  the  work  pieces  are  mounted  on  fixtures  on  a  rotary  table.  The 
broaches  are  made  in  short  selections  for  easy  sharpening  and  are  mounted  on  a 
central  column  and  the  rotary  table  is  rotated  past  the  broaching  station.  These 
machines  are  used  only  for  surface  broaching  of  small  parts.  Fig.  7.16.7  shows  a 
rotary broaching machine. 
 
Fig.7.16.7. Rotary broaching machine 
7.16.6   Application of Broaching 
[n recent years, there has been a great increase in scope of broaching. Presently the 
broaching is used to do many types of work, besides being used in automotive and 
domestic industry. Typical broached parts include gear, gearshift and steering gear 
levers, cylindrical blocks, connecting rods, carburettors, bearings, pistons, and etc.  
 

21. 7.16.8    
Broaching  is  employed  equally  well  for  both  small  lot  jobs  as  well  as  for  mass 
production. The main application of broaching process lies in machining irregularly 
shaped holes of considerable length very economically. Keyways, straight and spiral 
splined  holes;  square,  hexagonal  and  other  add  shaped  holes  are  produced  by 
broaching  very  efficiently.  The  broaching  is  useful  in  forming  the  teeth  in  small 
internal gears, in cutting suitable grooves or splines in casting, forgings and other 
units intended to fit splined shafts. The temperature of the work piece remains fairly 
constant as the work piece is broached, thus avoiding the occurrence of error as a 
consequence of temperature rise in the workpiece. 
7.16.7 Advantages of Broaching 
1) Broaching is faster than other machining operations, resulting in higher rate 
of production with better finish and more accuracy. 
2) As each tooth of the broach takes a small cut once in one operation, the 
broach has a longer life. 
3) The broach performs both roughing and finishing operation. 
4) As the machining cycle is quite simple, the broaching operation does not 
need a highly skilled operator. 
5) The cutting force of the broach serves to clamp the work piece and hold it 
firmly in position. 
7.16.8 Limitations of Broaching 
1) Initial cast of a broach is very high. 
2) The broaching machine is a very costly machine tool. Therefore the operations 
is justified only for mass production. 
3) Broach sharpening is an expensive and difficult process and requires a separate 
sharpening procedure. 
4) A surface having an obstruction in the way of broach travel cannot be 
machined. 
5) Delicate and very light jobs are difficult to broach. 
6) One broach is used to produce only one type of surface. Therefore for 
getting different shapes and sizes, different broaches are required. 
7) Blind holes cannot be easily produced through broaching. 
7.16.9 Specification of Broaching Machines 
The  principal  dimensions specifying  the  capacity  of a  broaching  machine  are the 
maximum  pulling  force  developed  by  the  slide  and  its  length  of  stroke.  Vertical 
broaching machines are made with single, double or multiple rams. The stroke of 
the broach can be up to 2500mm and the weight of the machine can be up to 50tons. 
Horizontal broaching machines are made to handle broaches up to 2300mm long  

22. Broaching Machines   7.9 
and 30mm diameter. They have capacities from 5 to 50 tons. The continuous broaching 
machines are standard machines. But their chain size, handling equipment, broach 
support, etc. can be modified to fit a particular job.  
A typical horizontal broaching machine is specified as below:  
Maximum pulling force  -> 5000kg  
Maximum Stroke  -> 1320rrim  
Cutting speed (variable)  -> 1 to 10 m/min  
Return speed  -> 30m/min  
Maximum work piece diameter -»  340mm  
Maximum broach diameter        -»  60mm  
Total power required  -> 65kw  
Weight of machine  -> 2450kg.